除非有外界條件干擾，光線都以直線傳播。當太陽光在大氣中傳播時，不可避免地要遇到大氣中的氣體分子、水滴和粉塵等其他微粒。這些粒子對光有吸收、反射和散射等作用。我們所看到的藍天、白雲、烏雲、絢麗的朝霞和落日餘暉，都是因爲大氣中的氣體分子和水滴、微粒等對入射的太陽光共同作用的結果。
獲1904年諾貝爾物理學獎的英國物理學家瑞利經過研究提出，比光波波長還要小的氣體分子會引起“瑞利散射”，即當散射粒子的直徑小於光波長時，光的散射強度將與波長的4次方成反比。不同波長的光被散射的比例不同。組成太陽光的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種不同顏色的光中，紅光波長最長，紫光波長最短。當太陽光進入大氣層後，大氣中的氣體分子對波長較短的紫光和藍光的散射比其他顏色的光要強烈很多倍。因此被散射而彌散在空中的主要是紫光和藍光的成分，但是氣體分子對紫光的吸收比較強，另外，人眼對藍光比紫光更敏感，因此晴天的天空呈現蔚藍色。可以想象，如果沒有大氣層和其他微粒，即使是在白天，太陽看上去也只是一個孤零零的明亮圓球，懸掛在漆黑一片的天空中（這也正是航天員在太空中看到的景象）。
天空中的雲朵則是由小水滴和飄浮粉塵組成，它們的直徑要比太陽光中的任何一種顏色的可見光的波長都要大，瑞利散射原理不再適用。太陽光經過雲層時，一部分被反射到空中；一部分直接穿透水滴等之間的縫隙，射向地面；還有一部分光發生米氏散射。所謂米氏散射，是指當光遇到比其波長大的微粒時所發生的一種散射，幾乎不依賴於光的波長，也不改變原有光的成分，而且米氏散射的光的絕大部分仍然沿着原來的方向傳播。上述三種情況都對太陽光的成分沒有影響，所以看上去雲朵是白色的。但是當雲層越來越厚時，小水滴越來越多，幾乎連成一片，太陽光和米氏散射的光不能或者很少能穿透雲層，這時白雲就變成烏雲了。當太陽剛剛升起或者將要落山時，太陽光穿透厚厚的大氣層到達觀察者所經過的路程要比中午時長得多，更多的光被散射和反射。在到達人眼所觀察的地方，波長較短的光—藍色和紫色的光幾乎已經散射殆盡，只剩下橙色和紅色的光，隨着太陽慢慢落下，天空看起來也從橙色變成紅色。
